ગહન શીતળતામાં પણ નહીં તૂટે ધાતુ: -૨૫૩ ડિગ્રી સેલ્સિયસે બરડ બનવાનો નિયમ તોડતી નવી શોધ

અત્યંત નીચા તાપમાને ધાતુઓ સાથે કામ કરવું એ આધુનિક એન્જિનિયરિંગનો સૌથી મોટો પડકાર રહ્યો છે. વિજ્ઞાનનો સ્થાપિત નિયમ રહ્યો છે કે કોઈપણ ધાતુને જેમ જેમ ઠંડી કરવામાં આવે તેમ તેમ તેની મજબૂતાઈ તો વધે છે, પરંતુ તેની સાથે તે કાચની જેમ અત્યંત બરડ પણ બની જાય છે. સામાન્ય તાપમાને દબાણ હેઠળ વળી જતી ધાતુ અતિશય ઠંડીમાં અચાનક તૂટી જાય છે. આ ભૌતિક મર્યાદાને ધાતુવિજ્ઞાનમાં ડક્ટાઇલ-ટુ-બ્રિટલ ટ્રાન્ઝિશન (ductile-to-brittle transition: નરમ સ્થિતિમાંથી બરડ સ્થિતિમાં પરિવર્તન) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. સૈકાઓથી ચાલી આવતી આ વૈજ્ઞાનિક માન્યતાને તાજેતરમાં થયેલા એક અભ્યાસે મોટો પડકાર ફેંક્યો છે.

વિખ્યાત સંશોધન સામયિક Nature માં ૧૪ ઓક્ટોબરે પ્રકાશિત થયેલા એક સંશોધન અહેવાલ અનુસાર, વૈજ્ઞાનિકોએ નિઓબિયમ (niobium) અને ટાઇટેનિયમ (titanium) માંથી બનાવેલી બે પ્રાયોગિક મિશ્રધાતુઓ (alloys) શોધી કાઢી છે, જે ૨૦ કેલ્વિન એટલે કે -૨૫૩ ડિગ્રી સેલ્સિયસ (-૪૨૪ ડિગ્રી ફેરેનહીટ) જેટલા અત્યંત નીચા તાપમાને પણ સહેજ પણ બરડ બન્યા વગર પોતાની મજબૂતાઈ જાળવી રાખે છે. આ આંતરરાષ્ટ્રીય સંશોધનનું નેતૃત્વ યુનિવર્સિટી ઓફ કેલિફોર્નિયા બર્કલે, લોરેન્સ બર્કલે નેશનલ લેબોરેટરી અને યુનિવર્સિટી ઓફ ઓક્સફર્ડની ટીમે સંયુક્ત રીતે કર્યું હતું.

બોડી-સેન્ટર્ડ ક્યુબિક ધાતુઓ ઠંડીમાં શા માટે તૂટી જાય છે?

આ શોધને સમજવા માટે ધાતુઓના આંતરિક સ્ફટિક બંધારણને સમજવું જરૂરી છે. સામાન્ય રીતે ધાતુઓમાં પરમાણુઓની ગોઠવણી ત્રણ મુખ્ય માળખાંઓમાં હોય છે: બોડી-સેન્ટર્ડ ક્યુબિક (body-centered cubic - BCC), ફેસ-સેન્ટર્ડ ક્યુબિક (FCC), અને હેક્ઝાગોનલ ક્લોઝ-પેક્ડ (HCP). આ પૈકી લોખંડ, ટંગસ્ટન અને ક્રોમિયમ જેવી મહત્વની માળખાકીય ધાતુઓ BCC બંધારણ ધરાવે છે, જેમાં આઠ પરમાણુઓથી બનતા સમઘનના કેન્દ્રમાં એક પરમાણુ રહેલો હોય છે. સામાન્ય સંજોગોમાં આ ધાતુઓ જ્યારે દબાણ હેઠળ આકાર બદલે છે, ત્યારે તેના સ્ફટિકમાં રહેલી સૂક્ષ્મ ખામીઓ જેને ડિસ્લોકેશન (dislocations: પરમાણુ સ્તરોની સરકવાની ત્રુટિ) કહેવાય છે, તે ખસીને તણાવને શોષી લે છે.

પરંતુ જ્યારે તાપમાન ઘટીને પરમ શૂન્યની નજીક પહોંચે છે, ત્યારે થર્મલ એનર્જીના અભાવે આ ડિસ્લોકેશન્સનું હલનચલન લગભગ અટકી જાય છે. પરમાણુઓ એકબીજા પર સરકી શકતા નથી. પરિણામે, ધાતુમાં જો ક્યાંય પણ નાની તિરાડ કે ક્રેક હોય, તો ત્યાં કેન્દ્રિત થતો તણાવ ધાતુને વળવા દેવાને બદલે સીધો જ તિરાડને આગળ ધપાવી ધાતુના બે ટુકડા કરી નાખે છે. આ સમસ્યા રોકેટરી, ક્રાયોજેનિક ફ્યુઅલ ટેન્ક અને ઊંડા અવકાશના સાધનો માટે ભારે જોખમી સાબિત થતી આવી છે.

અંદર શું બન્યું? નેનોસ્કેલ ટ્વિનિંગ અને વિસ્થાપનનો નવો માર્ગ

ઓક્સફર્ડ અને બર્કલેના સંશોધકોએ જે બે મિશ્રધાતુઓ ચકાસી, તેમાં સામાન્ય કરતાં તદ્દન વિપરીત પ્રક્રિયા જોવા મળી. -૨૫૩ ડિગ્રી સેલ્સિયસ તાપમાને પણ તેમાં બરડ બનવાના કોઈ સંકેત નહોતા. આ સામગ્રીએ તણાવ સામે લડવા માટે પોતાની પરંપરાગત પદ્ધતિ પડતી મૂકીને એક નવી જ અણુકીય વ્યૂહરચના અપનાવી લીધી હતી.

સંશોધકોએ શોધી કાઢ્યું કે જ્યારે અત્યંત ઠંડીમાં ડિસ્લોકેશન્સ ખસી શકતા નહોતા, ત્યારે ધાતુના સ્ફટિકમાં નેનોસ્કેલ ટ્વિનિંગ (nanoscale twinning: નેનોમીટર કક્ષાએ દર્પણ જેવી રચના બનવી) નામની પ્રક્રિયા શરૂ થઈ ગઈ. આ પ્રક્રિયામાં સ્ફટિક બંધારણના નાના હિસ્સાઓ સ્થાનિક સ્તરે અરીસાના પ્રતિબિંબ જેવી રચનામાં પુનઃગોઠવાઈ ગયા, સાથે સાથે સ્ફટિકની મૂળ સંરચનામાં પણ સ્થાનિક ફેઝ બદલાવ (phase transformation) થયો.

આ નવનિર્મિત વિસ્તારો જ્યારે પડોશી સ્ફટિકોની સીમાઓ (grain boundaries) સાથે ટકરાયા, ત્યારે ત્યાં પ્રચંડ તણાવ કેન્દ્રિત થયો. સામાન્ય રીતે આવો તણાવ ધાતુને તોડી નાખે, પરંતુ અહીં તે તણાવે ધાતુની અંદર તાજા અને નવા ડિસ્લોકેશન્સ ઉત્પન્ન કર્યા. સંશોધકો આ પ્રક્રિયાની સરખામણી બરફથી ઢંકાયેલા હાઇવે સાથે કરે છે. જ્યારે શિયાળામાં મુખ્ય માર્ગ બરફ જામવાને કારણે બંધ થઈ જાય, ત્યારે ટ્રાફિક જેમ અન્ય શેરીઓ અને ડાયવર્ઝન શોધી લે છે, તેમ આ મિશ્રધાતુએ તણાવને શોષવા માટે પોતાના અંદર નવા માર્ગો તૈયાર કરી લીધા.

ઓક્સફોર્ડશાયરમાં ન્યુટ્રોન કિરણો સાથેનું અનોખું પરીક્ષણ

ધાતુની અંદર આ અણુકીય નાટક કઈ રીતે ભજવાઈ રહ્યું હતું તે ચકાસવા માટે સંશોધકોએ યુકેના ઓક્સફોર્ડશાયર ખાતે આવેલા સાયન્સ એન્ડ ટેકનોલોજી ફેસિલિટીઝ કાઉન્સિલના ISIS ન્યુટ્રોન એન્ડ મ્યુઓન સોર્સ ખાતે Engin-X ઉપકરણનો ઉપયોગ કર્યો હતો. આ પ્રયોગ અત્યંત જટિલ અને આકરો હતો.

ધાતુના નમૂનાઓને વાયુરૂપ હિલીયમ (gaseous helium) ના પ્રવાહ વડે -૨૫૩ ડિગ્રી સેલ્સિયસ સુધી ઠંડા કરવામાં આવ્યા હતા. આ થીજવી દેતી પરિસ્થિતિમાં એક વિશિષ્ટ ટેસ્ટિંગ મશીન વડે ધાતુને બંને છેડેથી ખેંચીને તેના પર પ્રચંડ તણાવ આપવામાં આવ્યો. આ જ સમયે ધાતુના નમૂનામાંથી શક્તિશાળી ન્યુટ્રોન બીમ પસાર કરવામાં આવ્યો, જેથી પરમાણુ સ્તરે થતી ક્ષણક્ષણની હિલચાલ રેકોર્ડ થઈ શકી. પરીક્ષણ બાદ અદ્યતન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપ અને એટમ-પ્રોબ ટોમોગ્રાફીની મદદથી દરેક તત્વની વહેંચણી અને ક્રેકની આસપાસ થયેલા નેનોસ્કેલ ફેરફારોની ચકાસણી કરવામાં આવી.

અભ્યાસના મુખ્ય લેખક ડૉ. ડેવિડ કૂકે (જેઓ અભ્યાસ સમયે યુસી બર્કલેમાં હતા અને હવે કેમ્બ્રિજ યુનિવર્સિટી ખાતે છે) જણાવ્યું હતું કે દાયકાઓથી વૈજ્ઞાનિકો માત્ર એ બાબત પર ધ્યાન આપતા હતા કે ધાતુમાં પહેલેથી રહેલી ખામીઓ કેટલી સરળતાથી ખસી શકે છે. પરંતુ આ પરિણામો દર્શાવે છે કે સ્ફટિક સીમાઓ પર નવી ખામીઓ પેદા કરવાની ક્ષમતા પણ એટલી જ નિર્ણાયક છે. ઓક્સફર્ડ યુનિવર્સિટીના ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એન્જિનિયરિંગ સાયન્સના પ્રોફેસર ડોંગ લિયુના જણાવ્યા મુજબ, ટ્વિનિંગ અને ફેઝ ટ્રાન્સફોર્મેશન મળીને જે નવી પ્લાસ્ટિસિટી ઉત્પન્ન કરે છે, તે અતિશય ઠંડા વાતાવરણ માટે મજબૂત ધાતુઓ ડિઝાઇન કરવાની નવી દિશા ખોલે છે.

ઔદ્યોગિક અને વૈજ્ઞાનિક વિશ્વ માટે આ શોધનું મહત્વ

ઈન્ટરનેશનલ ઈન્સ્ટીટ્યુટ ઓફ રેફ્રિજરેશન (IIR) દ્વારા ૧૯૭૧માં અપાયેલી વ્યાખ્યા મુજબ -૧૫૩.૧૫ ડિગ્રી સેલ્સિયસ (૧૨૦ કેલ્વિન) થી નીચા તાપમાનને ક્રાયોજેનિક્સ ગણવામાં આવે છે. આવા વાતાવરણમાં રોકેટ માટે લિક્વિડ હાઇડ્રોજન અને લિક્વિડ મિથેન જેવા બળતણનો સંગ્રહ કરવા, પરિવહન ટેન્કરો બનાવવા કે સુપરકન્ડક્ટિંગ મેગ્નેટ તૈયાર કરવા માટે વપરાતી ધાતુઓએ અતિશય કઠોર શરતો સહન કરવી પડે છે. અત્યાર સુધી વપરાતી ધાતુઓમાં અચાનક તિરાડ પડી જવાનું મોટું જોખમ રહેતું હતું.

નિઓબિયમ અને ટાઇટેનિયમની આ નવી પ્રાયોગિક મિશ્રધાતુઓ ભવિષ્યમાં ઊંડા અવકાશ સંશોધનના પ્રોબ્સ, લિક્વિફાઇડ નેચરલ ગેસ (LNG) ના ટ્રાન્સપોર્ટ વાલ્વ અને પંપ તેમજ ફ્યુઝન એનર્જી રિએક્ટર્સ માટે ક્રાંતિકારી પૂરવાર થઈ શકે છે. સૌથી મહત્વની વાત એ છે કે આ સંશોધને ધાતુશાસ્ત્રીઓને એક નવો 'બ્લુપ્રિન્ટ' આપ્યો છે: જો ધાતુનું માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર યોગ્ય રીતે તૈયાર કરવામાં આવે, તો તે પરમ શૂન્ય જેવા ક્રૂર તાપમાને પણ પોતાના રક્ષણ માટે આપમેળે નવા પરમાણુ માર્ગો ઊભા કરી શકે છે.